¿Está bien usar un MOSFET en su región resistiva con un disipador de calor?

El uso de transistores con voltaje de compuerta (o base) limitado hará que limiten la corriente, lo que introducirá una caída de voltaje significativa a través del transistor, haciendo que se disipe energía. Esto se considera malo, desperdiciando energía y acortando la vida del componente. Pero si mantengo la temperatura baja, ya sea con un disipador de calor o limitando la potencia, ¿está bien usar un MOSFET de esta manera? ¿O es fundamentalmente malo para el componente hacer que disipe el poder?

Pregunto porque obtengo excelentes resultados al controlar un MOSFET con voltaje variable para conducir una tira de LED. Con PWM de 8 bits, el LED salta de brillo de cero a niveles de "leer un libro", mientras que el mosfet impulsado por voltaje permite un encendido muy suave, a pesar de usar también niveles de voltaje de 8 bits. La potencia lineal versus la exponencial hace toda la diferencia, y PWM es lineal. Nuestros ojos no perciben la luz linealmente. El resultado controlado por voltaje es demasiado bueno para no usarlo.

Anexo: He realizado una amplia experimentación con PWM, incluido el ajuste de los preescaladores. Cambiar el deber de PWM no es una solución efectiva, aunque si alguien quiere donar un osciloscopio, podría hacerlo funcionar :)

Anexo: El proyecto es un reloj despertador iluminado, como estos productos de Philips , pero más cuidadosamente ajustado. Es imperativo que la gradación entre los bajos niveles de potencia sea minúscula. El estado de baja potencia aceptable más brillante es de alrededor de 0.002%, y el siguiente es de 0.004%. Si es un problema x / y preguntar sobre la solución en lugar de un problema, entonces esta es una pregunta x / y intencional: he encontrado mi solución preferida después de una extensa prueba, y quiero saber si mi solución es viable. El dispositivo está trabajando actualmente con una solución alternativa menos preferida que involucra una luz auxiliar mucho más tenue.

Anexo 3: Entiendo que esto es para lo que se usan los transistores BJT. Como están controlados por corriente, el circuito es mucho más difícil. Necesito investigar eso cuando tengo tiempo para dibujar diagramas. Publicaré otra pregunta si tengo problemas.

TL; DR Use BJT para operación lineal, no FET

La mayoría de los FET no están clasificados para área de operación segura (SOA) en DC. Transistores de unión bipolar (BJT) son.

Si examina el gráfico SOA para cualquier FET, encontrará un conjunto de curvas para pulsos de duración 1 µs, 10 µs, 1 ms, etc., pero rara vez alguna curva para CC. Puede intentar extrapolar a 'cerca de DC' si lo desea, bajo su propio riesgo. Significa que el fabricante no está dispuesto a calcular la cantidad de disipación permitida en la operación de CC.

A menudo se dice que los FET son paralelos muy bien, debido a su coeficiente de temperatura de resistencia positiva. A medida que se calientan, su resistencia aumenta, por lo que la corriente disminuirá en el caliente, y la situación es estable. Los FET están formados por múltiples celdas en paralelo internamente, por lo que también comparten OK, ¿verdad? ¡Incorrecto!

Es solo para el coeficiente de resistencia a la temperatura. Los FET también tienen otro coeficiente de temperatura, que es el coeficiente de temperatura del voltaje umbral, y eso es negativo. A medida que el FET se calienta, a un voltaje de puerta constante, consume más corriente. Cuando el voltaje de la puerta es muy alto, saturando un FET conmutado, el efecto es mínimo, pero cuando el voltaje está por debajo del umbral, es muy fuerte. A medida que una celda se calienta, su corriente aumenta, por lo que se calienta un poco más y tiene el potencial de fuga térmica, donde una celda intenta acaparar toda la corriente a través del dispositivo.

Este efecto está limitado por dos cosas. Una es que la matriz tiende a comenzar a la misma temperatura en todas partes si no ha sido sometida a un calentamiento desigual. Por lo tanto, toma tiempo para que crezca la inestabilidad. Es por eso que los pulsos cortos pueden usar más potencia que los pulsos largos. El segundo es la conductividad térmica a través del troquel, que tiende a igualar la temperatura a través de él. Esto significa que se necesita un cierto nivel umbral de potencia para que crezca la inestabilidad.

Los fabricantes de BJT tienden a poner una cifra en este nivel de potencia, pero los fabricantes de FET no lo hacen. Tal vez sea porque el nivel DC SOA es una fracción mucho más pequeña de su disipación de poder 'principal' en los FET que sería vergonzoso explicarlo. Quizás sea porque en la operación lineal, hay tantas ventajas de un FET que solo vale la pena usar BJT para cualquier nivel de potencia específico que no hay ningún incentivo comercial para que califiquen los FET para el uso de CC.

Parte de la razón por la cual los BJT pueden tener una unión estable de área grande y los FET no lo tienen es su forma de trabajar. El 'umbral' para BJTs, el 0.7 VV _be , es una función del material, y es muy consistente a través de la matriz grande. El umbral para los FET depende del grosor de la capa de compuerta delgada, que es una dimensión fabricada, mal definida (¡sabe cuán amplia es la especificación para FET V _gsth en una hoja de datos!) Al ser la pequeña diferencia entre dos grandes difusión pasos.

Dicho esto, hay algunos FET que se caracterizan por el uso de CC. Son pocos y distantes entre sí, y son muy caros, en comparación con sus hermanos optimizados para el cambio. Tendrán más pruebas y calificaciones, y utilizarán un proceso diferente que sacrifica la baja resistencia y algunos otros rasgos beneficiosos de FET.

Use un transistor Darlington si desea una baja corriente de la unidad base. El extra de 0.7 V min V _ce es irrelevante en gran medida dado que lo va a operar linealmente.

Si aún desea utilizar un FET de conmutación para la operación de CC, entonces adhiérase al 5% al ​​10% de la disipación del título. Es muy posible que te salgas con la tuya.

Janka hizo una pregunta interesante en los comentarios, "¿qué pasa con un IGBT?". De acuerdo con esta nota de la aplicación ,No detailed characterization of IGBTs as linear amplifiers has been carried out by IR, given the limited use of IGBTs in this type of application.

El gráfico VI de esta hoja de datos para el NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

Sin embargo, el gráfico SOA

tiene una línea de CC, y esa línea tiene poco más de 200 vatios, la potencia principal del dispositivo. ¿Lo han caracterizado correctamente?

Un IGBT no requiere corriente para conducirlo, pero necesita más voltios de compuerta que un Darlington necesita voltios de base, por lo que puede ser o no más fácil de manejar. Por el momento, no he encontrado ninguna información definitiva sobre IGBT en este modo de operación.

Desafortunadamente, los MOSFET de potencia modernos fallan cuando se operan en la región lineal con disipaciones de alta potencia.

Los MOSFET son seguros de usar en el modo lineal siempre que la corriente de drenaje disminuya al aumentar la temperatura.

La mayoría de los MOSFET tienen un crossover por debajo del cual pueden experimentar fugas térmicas y por encima del cual no. Para MOSFET de muy bajo Rds (on) low Vth MOSFET, este cruce ocurre a un voltaje muy alto de fuente de puerta y corriente de drenaje. Si observa los "peores" MOSFET, algunos tienen la región dominada por el portador de carga a una potencia tan baja que no importa. Por ejemplo, IRFR9110 es seguro en todos los Id> 1A

Tiene un Rds (encendido) de 1.2 ohmios, pero si lo va a usar en modo lineal, ¡eso no importa en absoluto!

La otra forma de mantenerse a salvo es mantener la potencia lo suficientemente baja. Los MOSFET de potencia están formados por muchas celdas paralelas, que en la región dominada por la movilidad (segura) comparten la corriente por igual, pero en la región dominada por el portador de carga (insegura) no, porque las celdas más calientes toman más corriente y se calientan más. Afortunadamente, las celdas están muy bien acopladas térmicamente, estando en el mismo dado, por lo que si se opera a una potencia lo suficientemente baja, la temperatura del dado no será uniforme pero no excederá los límites.

Documento de la NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Nota de OnSemi más legible: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

Los MOSFET pueden estar bien en modo lineal, pero se debe tener especial cuidado porque el MOSFET no necesariamente distribuirá el flujo de corriente aunque sea de manera uniforme. Aquí hay una nota de aplicación de OnSemi (fairchild) que explica algunos de estos comportamientos y trata de vender dispositivos más nuevos.

Este problema se manifestará como una falla en un área operativa aparentemente segura, especialmente en un FET de trinchera de nivel lógico tradicional. FET de potencia plana más antiguos (IRF / Infineon hace esto) y algunos de los tipos más nuevos funcionan bien en modo lineal. Sin embargo, los FET de potencia plana tienden a tener una resistencia atroz frente al tamaño del dado.

El uso de transistores con voltaje de compuerta (o base) limitado hará que limiten la corriente, lo que introducirá una caída de voltaje significativa a través del transistor, haciendo que se disipe energía. Esto se considera malo, desperdiciando energía y acortando la vida del componente.

Esto es malo cuando el transistor está destinado a ser utilizado como un interruptor. Si tiene la intención de usarlo en modo lineal, entonces es el modo de operación previsto y está perfectamente bien. Sin embargo, algunas condiciones deben respetarse para no dañarlo:

1) Temperatura máxima de la matriz, es decir, Potencia x Rth

Rth es la "resistencia térmica del dado al aire", que es la suma de las resistencias térmicas:

• caso de unión, ver hoja de datos, depende de cómo se construya internamente la pieza
• el disipador térmico de la caja depende de TIM (material de interfaz térmica, grasa, almohadilla de silicona, etc., ya sea aislante o no) y también depende de la superficie del TIM (un paquete grande como TO247 tiene mucho más que TO220, por lo que tendrá Rth inferior)
• disipador de aire que depende del tamaño del disipador de calor, flujo de aire, si usa un ventilador o no, etc.

Para baja potencia (unos pocos vatios) puede usar el plano de tierra de la PCB como disipador de calor, hay muchas maneras de hacerlo.

2) Área de operación segura (SOA)

Aquí es donde sopla su transistor.

Cuando se opera en modo lineal (sin conmutación), tanto BJT como MOSFET conducirán más corriente para los mismos Vgs (o Vbe) cuando estén calientes. Por lo tanto, si se forma un punto caliente en el dado, conducirá una densidad de corriente más alta que el resto del dado, entonces este punto se calentará más, luego acaparará más corriente, hasta que explote.

Para los BJT, esto se conoce como fuga térmica o segundo desglose, y para los MOSFET es un punto crítico.

Esto depende en gran medida del voltaje. Hotspotting se dispara a una densidad de potencia específica (disipación) en el chip de silicio. A una corriente dada, la potencia es proporcional al voltaje, por lo que a voltajes bajos no ocurrirá. Este problema ocurre con voltajes de "alta ish". La definición de "highish" depende del transistor y otros factores ...

Era de conocimiento común que los MOSFET eran inmunes a esto, "más resistentes que los BJT", etc. Esto es cierto para las tecnologías MOSFET más antiguas como Planar Stripe DMOS, pero ya no es cierto con los FET optimizados para la conmutación como la tecnología Trench.

Por ejemplo, verifique este FQP19N20, hoja de datos página 4 fig 9, "área de operación segura". Observe que se especifica para CC, y el gráfico tiene una línea horizontal en la parte superior (corriente máxima), una línea vertical a la derecha (tensión máxima) y estas dos líneas están unidas por una sola línea diagonal que proporciona la potencia máxima. Tenga en cuenta que este SOA es optimista, ya que está en Tcase = 25 ° C y otras condiciones, si el disipador térmico ya está caliente, por supuesto, el SOA será más pequeño. Pero este transistor funciona bien en modo lineal, no funcionará . Lo mismo para el viejo IRFP240 que se usa comúnmente en amplificadores de audio con gran éxito.

Ahora mire el enlace publicado por τεκ, muestra gráficos SOA con una línea adicional a la derecha, con una pendiente descendente muy abrupta. Esto es cuando ocurre el hotspotting. No desea utilizar este tipo de FET en un diseño lineal.

Sin embargo, tanto en FET como en BJT, el punto de acceso requiere voltajes altos en comparación con el voltaje máximo. Entonces, si su transistor siempre tiene un Vce o Vds de unos pocos voltios (que debería tener en este escenario), entonces no habrá ningún problema. Verifique el transistor SOA. Por ejemplo, puede usar una fuente de corriente basada en opamp , pero se encontraría con los mismos problemas a baja corriente dependiendo del voltaje de compensación de entrada del opamp.

Una mejor solución a su problema ...

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

A la izquierda: puede PWM un FET u otro. Las diferentes resistencias de drenaje determinan la corriente en la configuración máxima de PWM. Cuando el PWM para el FET izquierdo llega a cero, puede continuar disminuyendo el PWM del otro FET. Esto le da un control mucho más fino en las intensidades de poca luz.

Básicamente es como un DAC de potencia de 2 bits con pesos de bits que puede ajustar eligiendo valores de resistencia (y debe ajustar las resistencias según lo que necesite).

A la derecha, esto es lo mismo, pero un BJT conectado como sumidero de corriente proporciona control analógico a baja intensidad.

Recomiendo ir con el de la izquierda, ya que es el más simple y probablemente ya tenga todas las partes.

Otra buena solución es usar un controlador LED de corriente constante de conmutación con corriente promedio ajustable. Esta es la solución de mayor eficiencia para LED de alta potencia. Sin embargo, si maneja una tira de LED, esto no ayudará mucho con la eficiencia, ya que las resistencias en la tira de LED seguirán quemando energía.

Esta pregunta es un problema XY. Se puede hacer un controlador de corriente constante lineal para controlar los LED, sí. Pero es muy ineficiente y no es necesario para la aplicación.
Hay muchos circuitos de corriente constante en línea .

Con PWM de 8 bits, el LED salta de brillo de cero a niveles de "leer un libro"

Puede controlar el brillo con una escala logarítmica. He usado la siguiente fórmula para un efecto similar.

Produce valores PWM de 8 bits basados ​​en una entrada de brillo de 8 bits. El 0.69 está ahí para asegurarse de que termina en 255.

Es posible que desee crear una tabla de búsqueda, ya que este no es un cálculo amigable para microcontroladores.

Quizás una solución diferente podría ser un controlador externo, como Onsemi CAT4101.

Puede configurar la corriente del LED bastante baja y usar el PWM para variar el brillo. Si necesita un rango dinámico más alto, entonces tendría que variar la resistencia establecida actual. Esto podría ser un bote digital, o tal vez, con una complicación adicional, un FET impulsado desde D / A (u otra fuente de voltios variable, como un PWM suavizado).

O bien, puede cambiar el conjunto actual entre dos valores, lo que le ofrece rangos de brillo alto y bajo.